A new approach in studying the engineering behavior and mechanical properties of artificial bonded soils in the laboratory
Bağlı yapay zeminlerin mühendislik ve mekanik özelliklerinin laboratuvarda incelenmesine yönelik yeni bir yaklaşım
- Tez No: 721975
- Danışmanlar: PROF. DR. MUSAFFA AYŞEN LAV
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 218
Özet
Günümüzde, yapay/iyileştirilmiş/geliştirilmiş zeminler üzerinde imal edilen sanat/mühendislik yapılarının önemi artmaktadır. Özellikle, problemli zeminler üzerine projelendirilmiş yapıların tasarımı ve imalatı özel inceleme gerektirmektedir. Problemli zeminlerden biri olan kalıntı (rezidüel) zeminlere, genellikle tropikal ve yarı-tropikal iklime sahip bölgelerde rastlanır. Kalıntı (rezidüel) zeminler, yaygını olarak bulundukları bölgenin adı veya morfolojik özellikleri ile isimlendirilse de bütün türleri benzer toprak yapısına sahiptir. Yapılı oluşturan danelerin birbirleri ile bağlanmış şekilde bulunması, bu tür zeminlerin tanımlanmasında anahtar karakterdir. Bu zeminlerin davranışı; laboratuvar şartlarında üretilen, daneler arası bağın yapay olarak sağlandığı, bağlı (bonded) bir yapıya sahip numuneler üzerinde yapılan deneyler ile başarı ile belirlenebilmektedir. Bu tez çalışmasında; kalıntı (rezidüel) zeminlerin davranışı, laboratuvarda hazırlanmış yeterli miktardaki bağlı (bonded) zemin numunesi üzerinde uygulanan drenajsız üç-eksenli basınç deneyi ile incelenmiştir. Hazırlanan bağlıı ve bağsız (gevsek) yapay numuneler, kum, kaolin ve su içeriklerine sahiptir. Bağlı numuneler pişirilerek ısıl olarak hazırlanmış, diğer numunelerde ise bu işlem uygulanmamıştır. Öncül çalışmada, numunelerin dane boyu içeriği dört farklı dane dağılımı eğrisine göre irdelenmiş ve seçilmiştir. Numunelere ait en uygun dane dağılım eğrisinin belirlenmesinde, kaolin/kum oranı ve kaolin dane boyu sabit tutulmuş, kum oranı değişken alınmıştır. Bu sonuç, gerilme oranı izi ve mukavemet parametrelerinin daha iyi değerlendirilebilmesi gibi birçok faktör tarafından desteklenmektedir. Bunun yanında başka etkili sonuçlar da elde edillmiştir; i) bağlı zeminlerde, dane-bağ etkisi ve dane-boyut etkisi özellikle düşük çevre basıncı (30 kPa) altında belirgindir, ii) bağsız zeminlerde, dane-boyut etkisi yüksek gerilme seviyelerinde etkilidir, iii) dane boyu dağılım analizine göre, eğrilik katsayısı (Cc) değerinin sonuçlar üzerindeki etkisi yetersizdir, iv) bağ etkisi içsel sürtünme ve kohezyon gibi mukavemet parametrelerini geliştirmektedir. Bunun yanında ortalama dane çapının artması ile içsel sürtünme açısı düşmekte, kohezyon değeri ise artmaktadır. İçsel sürtünme açısındaki bu düşüş, bağlı olmayan zeminler için karakteristik olsa da, bağ-yapılı zeminlerde de ufak bir etkiye sahiptir, v) daha yüksek ortalama dane çapına sahip, bağ-kuvveti daha yüksek zeminler daha az sünek davranış gösterir. Bu çalışmada, üç-eksenli basınç deneyi sonuçlarının karşılaştırılması bakımından yeterli miktarda benzer numune kesme kutusu deneyine de tabi tutulmuştur. Numuneler, üç-eksenli basınç deneyinde üç farklı hücre gerilmesi (çevre basıncı) altında, kesme kutusu deneyinde ise üç farklı normal gerilme altında test edilmiştir. Numuneler, beş farklı bağ-yapısı kuvveti düzeyinde hazırlanmıştır. Farklı bağ-yapısı kuvvetine sahip bu numunelerin; gerilme-deformasyon davranışı, yükleme esnasında gelişen artık boşluk suyu basıncı değişimi, gerilme oranı ve diğer mukavemet parametreleri incelenmiştir. Hazırlanan bağlı numunelerle benzer sıkılıkta olan fakat daneler arası bağın olmadığı numuneler üzerinde de deneyler yapılmış ve aradaki mekanik farklar incelenmiştir. İncelemeler ve sonuçlar,“Bağ Endeksi (B_i)”olarak adlandırılan yeni bir parametreye dayalı olarak irdelenmiştir. Bu parametre, üç-eksenli basınç deneyleri sonucu elde edilen p-q düzlemindeki gerilme-durumu sınır yüzeyi ile ilintilidir. Önerilen bu yöntem etkili ve pratiktir. Kalıntı (rezidüel) zeminler gibi bağlı zeminlerin, kohezyon, içsel sürtünme açısı, pik dayanımı, gerilme oranı gibi dayanım parametrelerinin,“Bağ Endeksi (B_i)”ile doğrudan ilişkili olduğu belirlenmiştir. B_i parametresi, çevre gerilmesi (hücre basıncı) seviyesinin belirlenmesinde kullanılabilmektedir. Buna göre, bağ-yapılı yapay zeminlerde, B_i değerinin sıfıra yakın olması yüksek gerilme koşuluna işaret etmektedir. Ayrıca, gerilme düzeyinden bağımsız olarak, bütün bağlı olmayan zeminler için B_i parametresi sıfır değerini göstermektedir. B_i parametresi ve çevre gerilmesinin birleşik etkisi üç ana aşamada gruplandırılmıştır; B_i değerinin yüksek, çevre basıncının düşük olduğu ilk aşama, orta gerilme düzeyindeki geçiş aşaması ve B_i değerinin çok düşük olduğu üçüncü aşama. Bu üç aşama farklı bağ dereceli numuneler için ayrı ayrı incelenmiştir. B_i değerinin yüksek olduğu şartlarda, zemin numunesinin daha az sünek davrandığı gözlenmiştir. Bu çalışmada önerilen yöntemin, bağlı zeminlerin geoteknik açıdan değerlendirilmesinde ve bu zeminlerin davranışını analiz etmede uygun olduğu gözlenmiştir. Üç-eksenli basınç (CIU) ve kesme kutusu deneylerinden elde edilen sonuçlar, daneler arası bağın zayıf ya da hiç olmadığı zemin numuneleri için özellikler mukavemet parametreleri açısından paralellik gösterdiği belirlenmiştir. Bağ-yapısı kuvvetli numuneler için ise, kesme kutusundan elde edilen mukavemet değerlerinin daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Bu çalışmada, bağlı numunelerin bağ yıkım aşamalarına yeni bir yaklaşım oluşturulmuştur. Bu yaklaşım, doğal eksenlerde çizilmiş deviatörik gerilme artışı (∆q) - eksenel deformasyon (ε_a) eğrisinden yararlanmaktadır. Bağ-yapılı zemin numuneleri için altı önemli özellik/nokta, bağ-yapılı olmayan zemin numuneleri için ise iki önemli özellik/nokta belirlenmiştir. Belirlenen ilk önemli nokta, ∆q - ε_a eğrisinin eğiminin ilk olarak aniden azaldığı ve bu anda artık boşluk suyu basıncı değişiminin maksimuma (〖d∆u〗_max) eriştiği andır. Bu nokta, daneler arası bağlantının kopmaya başladığı andır. İkinci önemli nokta, deviatörik gerilme değişiminin maksimuma (〖∆q〗_max) eriştiği andır. Bu noktada, zemin dayanımının büyük kısmı kaybolur. Üçüncü ve dördüncü önemli nokta, sırası ile, artık boşluk suyu basıncı değişiminin sönümlendiği (d∆u= 0) ve deviatörik gerilme değişiminin sönümlendiği (∆q= 0, q_max) anlardır. Beşinci nokta deviatörik gerilme değişiminin minimuma (〖∆q〗_min ) olarak ifade edilmiştir. Altıncı nokta, zeminin kritik duruma eriştiği durumu yansıtır. Tanımlanan her bir nokta, bağ-yapılı zeminler için yeni bir davranış rejiminin başlangıcıdır. Bu çalışma kapsamında; çevre basıncının, bağlı zeminlerin davranışı üzerindeki kuvvetli etkisi belirlenmiştir. Örnek olarak belirtmek gerekirse; bağlı zeminler için yukarıda belirtilen altı önemli nokta, çevre basıncının 〖(σ〗_3) 30 kPa'dan 700 kPa'a çıkarılması ile iki kritik noktaya düşmektedir. Bu örnek, özellikle zayıf ve orta dereceli bağ-kuvvetine sahip bağlı zeminler için geçerlidir. Ayrıca, düşük çevre basıncı altında daha yüksek B_i değeri elde edilmektedir. Bu iki nedenle, bağlı zeminlerin davranışının daha iyi belirlenebilmesi ve bağ yıkımının yaşandığı kritik noktaların belirlenmesi için araştırmaların nispeten düşük çevre basıncı (hücre basıncı) altında yapılması önerilmiştir.
Özet (Çeviri)
The construction of structures on structured soils or the exploitation of such materials for construction purposes, such as in road pavement projects, has gained more importance with time. In some parts of the world, their study has become a necessity. Such soils, like residual soils, are widely encountered in tropical and subtropical regions. Even though their names may vary according to local culture or their morphology, they have all in common the bond structures. This property is a key parameter of those soils. However, to better study their behavior, the use of the artificial bonded sample in the laboratory has been adopted, offering an effective simulation. In the present study, the behavior of residual soil-like has been investigated under undrained conditions in triaxial equipment by using a large number of artificial samples made in the laboratory. The artificial bonded and unbonded samples were made from a mixture of sand, kaolin, and water. A thermal process was applied for the bonded specimens, whereas the unbonded samples were not fired. A preliminary investigation was carried out on four different particle size distribution curves. In those gradation curves, the dry ratio of kaolin/sand, and the kaolin particle size distribution paths, were kept the same, only the sand grain size distribution was varied. The study was conducted on the chosen best-fitted gradation curve of sand-kaolin. Besides the triaxial tests, direct shear box apparatus was also used, for comparative purposes. For every type of the tested material, three different initial effective confining pressures or normal stresses were applied. Throughout this process, five different bonding levels were used. Several properties of such soils were examined, among them: the stress-strains, the pore water pressure evolution, the stress ratio, other strength parameters, and so on. The equivalent artificial bonded specimens, but in an unbonded state, were used to gain a better understanding of their mechanical characteristics. A novel approach was investigated and established, based on a new parameter called bonding index (B_i). This parameter was set from the bounding surface, which is one of the most important features of bonded soils studied under triaxial tests. The proposed method was evaluated as an effective and practical one. The strength parameters of the bonded soils such as the cohesion intercept, the angle of internal friction, the peak strength, and the stress ratio, were found to be straightly related to B_i. The latter asserted well the enhancement of bonding. Furthermore, B_i would be used to define the confining stress level, from which a B_i close to zero value implies the highest stress level for the artificial bonded soils. However, independent of the stress level, all unbonded soils display a B_i equal to zero value. The coupled effect of B_i and the confining pressure was grouped in three main stages. The first stage, at lower confining stresses, where a remarkable high value of B_i is recorded. The second stage is a step of moderate stress and, the third stage, as where the smallest B_i value was observed. Every stage was associated with a particular behavior of those soils according to the bonding level in presence. It is worth pointing out that a soil sample of higher B_i was found to be less ductile. The suggested method was observed to be an appropriate alternative means for the geotechnical evaluation and analysis of the behavior of structured soil materials. Comparison from the results of both CIU tests and DST revealed a good agreement for weakly and unbonded samples, particularly for strength parameters, the cohesion intercept, and the angle of internal friction. However, for highly bonded materials important divergence was observed, with an overestimation from the DST results. A study of the debonding process was carried out through a new approach. This method was constructed from the deviatoric stress increment (∆q) against the axial strain (ε_a) curves, drawn in a natural scale. Six important features, points, were found to be typical of bonded soils, while only two of them were observed for unbonded samples. The first yield was identified at the initial point, after which the slope of ∆q decreased significantly coupled with the maximum pore water pressure increment 〖d∆u〗_max. This point revealed the debonding process starting point. The second point is at 〖∆q〗_max, at the second yield, a point of major loss of strength. The third and fourth points were at d∆u=0 and ∆q=0 (q_max), respectively; while the fifth point was identified as where 〖∆q〗_min. The last point was at the critical state or the equivalent state. Every point represented a particular behavior state of bonded soils. Throughout the study, it was observed that confining pressure influences considerably the response of bonded soils. For example, the aforementioned six features, specific to bonded soils, were found to be reduced to only two points, particularly for weakly and moderately bonded materials, with the increase of σ_3 from 30 kPa to 700 kPa. Furthermore, a bigger value of the bonding index was achieved at lower confining stress. Therefore, it is recommended, for a better understanding of the behavior of the bonded soil materials, to conduct such investigations at lower initial effective stress, especially for the analysis of the debonding process.
Benzer Tezler
- Konik dalga kılavuzu alanlarına ilişkin enerjik ve mekanik özellikler için analitik çözüm
Analytical solution for energetic and mechanical properties of conical waveguide fields
AHMET ARDA ÇOŞAN
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERKAN AKSOY
DOÇ. DR. FATİH ERDEN
- Kompozit plakların balistiğinde bazı basitleştirilmiş yaklaşımların sayısal irdelenmesi
Numerical investigation of some simplified approaches in composite plate ballistics
UĞUR DOĞAN
Doktora
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİN SÜNBÜLOĞLU
- Taşıtlara etkileyen kuvvetler ve taşıt titreşimleri
The Forces acting on vehicles and vehicle vibrations
RUHİ ÇELİKKAYA
- Nanoteknolojide eğri eksenli çubukların düzlem dışı davranışları için bir sonlu eleman formülasyonu
A finite element formulation for out of plane behavior of curved beams in nanotechnology
HİLAL KOÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKREM TÜFEKCİ
- Talaş kaldırma işleminin sonlu elemanlar yöntemi yardımıyla analizi
Başlık çevirisi yok
VAHİT KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MUZAFFER ERTEN